Электродиализ как метод очистки УФ пермеата творожной сыворотки в производстве лактозы

Лактоза – основной углевод молока, один из продуктов комплексной переработки молочного сырья и востребованный ингредиент в пищевой и фармацевтической промышленности. Сырье для производства лактозы на современных молокоперерабатывающих предприятиях – это молочная сыворотка. Как правило, сыворотку подвергают ультрафильтрации, концентрируют полученный пермеат и кристаллизуют лактозу в сгущенном растворе. Кристаллы затем отделяют центрифугированием и высушивают. Эта технология с теми или иными модификациями является общепринятой в мировой практике и адаптирована для переработки сыворотки из-под сычужных сыров – подсырной, или сладкой сыворотки. Однако подсырная сыворотка составляет лишь около половины всего объема вырабатываемой в России молочной сыворотки. По данным Союзмолоко, объемы производства сыра и творога в России сопоставимы, поэтому отрасль располагает огромным количеством творожной сыворотки (рисунок1).

Содержание лактозы в творожной сыворотке, несколько меньшее, чем в подсырной, все же составляет около 70 % сухого вещества. Это делает творожную сыворотку, а точнее, пермеат ее ультрафильтрации, перспективным сырьем для производства лактозы. Однако повышенное содержание молочной кислоты и минералов в этом виде сырья требует дополнительных усилий по его очистке, прежде чем оно сможет использоваться в качестве источника лактозы высокого качества. Проблема переработки творожной сыворотки известна и за рубежом. Это одна из глобальных проблем молочной промышленности, все еще ожидающих своего решения. Тем не менее, особенно актуальна она в России, отличающейся особым изобилием творожной сыворотки.

В производстве лактозы ЭД может применяться к пермеату, предварительно сконцентрированному нанофильтрацией, перед досгущением и кристаллизацией

Благодаря высокой доле примесей-электролитов в пермеате творожной сыворотки он является подходящим объектом для очистки посредством электродиализа (ЭД). Этот метод, хорошо известный в молочной промышленности, успешно применяется для деминерализации молочной сыворотки и, в частности, при нейтрализации (раскислении) творожной сыворотки. В производстве лактозы ЭД может применяться к пермеату, предварительно сконцентрированному нанофильтрацией, перед досгущением и кристаллизацией. Различия в составе пермеатов подсырной и творожной сыворотки (ППС и ПТС), однако, оказывают существенное влияние на производительность ЭД. Целью данной работы было охарактеризовать процесс очистки ППС и ПТС методом ЭД и сделать выводы о применимости ЭД как основного метода очистки разнородного лактозосодержащего сырья.

Для этого был смоделирован в лабораторных условиях процесс очистки ППС и ПТС методом ЭД. В качестве аналога ППС использовали пермеат ультрафильтрации молока (ПМ) со сходным составом и свойствами (таблица 1). Сырье сконцентрировали до содержания сухих веществ 20 % и подвергли ЭД обработке до 90%-ной деминерализации по удельной электропроводности (УЭП). Аналогично обработали смеси ПТС:ПМ в соотношениях 1:4, 2:3, 3:2 и 4:1.

Таблица 1 – Состав лактозосодержащего сырья

Деминерализация – один из важных показателей, характеризующих очистку лактозосодержащего сырья. Степень деминерализации определяли по содержанию золы в сырье при снижении его УЭП на 50, 70 и 90 % (рисунок 2).

Существенные различия по содержанию золы в ПМ и ПТС были сведены к минимуму уже при 70%-ном снижении УЭП. На этом этапе очистки в отобранных пробах всех исследованных смесей обнаруживалось не более 0,4 % золы, а после 90%-ного снижения УЭП – не более 0,2 %.

Согласно оценке, очистка пермеата творожной сыворотки была в 2,5–3 раз более энергоемкой, чем аналогичная обработка пермеата молока

Затраты электроэнергии на миграцию заряженных частиц через мембраны в процессе ЭД были рассчитаны по значениям силы тока через электродиализный модуль (метод расчета согласно Kravtsov V. et al., Food Eng. 2020. Vol. 277. P. 109891., рисунок 3). Согласно оценке, очистка ПТС была в 2,5–3 раз более энергоемкой, чем аналогичная обработка ПМ, причем это соотношение практически не зависело от глубины очистки. Кроме того, на очистку ПТС требовалось в 4–5 раз больше времени, чем на очистку ПМ до аналогичного уровня деминерализации.

70%-ная деминерализация пермеатов молочного сырья достаточно для нормализации в них содержания золы

Приведенные данные свидетельствуют о том, что 70%-ной деминерализации пермеатов молочного сырья достаточно для нормализации в них содержания золы. Энергозатраты, необходимые для приведения ПТС, например, к содержанию золы 0,4 %, были существенно выше, чем для аналогичной очистки ПМ. Однако такая и даже более глубокая деминерализация достижима посредством ЭД. Серьезная проблема, связанная с электродиализной обработкой ПТС – это низкая производительность, вытекающая из низкой скорости процесса. Она влечет за собой ряд статей дополнительных расходов, по сравнению с которыми упомянутое трехкратное увеличение энергозатрат на электромиграцию уходит на второй план: к ним можно отнести электропитание насосной группы установки, охлаждение сырья, работу обслуживающего персонала, или капитальные затраты на апгрейд производительности установки.

Включение электродиализа в технологическую линию производства лактозы создает возможность серьезного расширения сырьевой базы за счет переработки пермеата творожной сыворотки

ЭД – это одно из звеньев в цепочке технологических операций производства лактозы, и его себестоимость составляет около 2–3 % от рыночной стоимости готового продукта (неопубликованные данные). С одной стороны, двух-трехкратное увеличение затрат на ЭД неизбежно влияет на себестоимость лактозы, с другой – создает возможность серьезного расширения сырьевой базы за счет переработки ПТС. В условиях изменчивой конъюнктуры рынка молочных ингредиентов сделать окончательный вывод о целесообразности использования ЭД для очистки ПТС в рамках производства лактозы можно только с учетом специфики конкретного молокоперерабатывающего предприятия. Тем не менее, высокий потенциал ЭД как метода очистки лактозосодержащего сырья, включая ПТС, очевиден.

Источник: Современные достижения биотехнологии. Глобальные вызовы и актуальные проблемы переработки и использования вторичных сырьевых ресурсов агропромышленного комплекса России : Материалы VIII Международной научно-практической конференции, Ставрополь, 21–24 июня 2021 года / Под редакцией И.А. Евдокимова, А.Д. Лодыгина. – Ставрополь: Общество с ограниченной ответственностью "Бюро новостей", 2021. – С. 136-140.